Информация или интуиция?

Шилейко Алексей

ТАИНСТВЕННАЯ КОНСТАНТА

Однако путь к получению формулы излучений был не так прост, как это кажется на первый взгляд. Вспомним, что М. Планк произвел свое знаменитое сложение формул для производных, точнее, для второй производной, от энтропии по энергии. Для того чтобы перейти от производных к самим величинам, необходимо выполнить операцию интегрирования. Вот и получилось, что интегралы расходятся, то есть дают бесконечные значения.Единственная возможность получить результат состояла в том, чтобы сделать предположение, что энергия изменяется не непрерывно, а скачками. Величина каждого такого скачка пропорциональна частоте излучения и некоторой постоянной величине.М. Планк вычислил эту величину и доложил о своих результатах в Немецком физическом обществе 14 декабря 1900 года. Таким образом, кроме хорошо известной постоянной Больцмана, появилась еще одна физическая константа, известная сегодня как постоянная Планка. М. Планк совершенно ясно сознавал важность своего открытия. Его сын Эрвин рассказывал: «Это было в 1900 году, когда Планк на прогулке в Грюневальде около Берлина сказал мне:— Сегодня я сделал столь же важное открытие, как и открытие Ньютона».Конечно, М. Планк никогда не говорил ничего подобного публично.Опять-таки вначале открытие М. Планка не вызвало особой сенсации. Ученые считали, что постоянная Планка, или, как ее иначе можно назвать, квант действия, должна лишь частично дополнить существующую классическую теорию. Сам М. Планк сообщал, как упорно пытался он ввести квант действия в систему классической теории, но безуспешно: «Эта величина (постоянная Планка) оказалась строптивой и сопротивлялась всем подобного рода попыткам. До тех пор, пока ее можно считать бесконечно малой, то есть при больших энергиях и продолжительных периодах, все было в полном порядке. Но в общем случае то там, то здесь возникала зияющая трещина, которая становилась тем более заметной, чем более быстрые колебания рассматривались. Провал всех попыток перекинуть мост через эту пропасть не оставил вскоре никаких сомнений в том, что квант действия играет фундаментальную роль в атомной физике и что с его появлением началась новая эпоха в физической науке, ибо в нем заложено нечто, до того времени неслыханное, что призвано радикально преобразить наше физическое мышление, построенное на понятии непрерывности всех причинных связей с. того времени, как Лейбниц и Ньютон создали исчисление бесконечно малых».В дальнейшем А. Эйнштейн показал, что кванты являются особенностью Не только теплового, но любого излучения, и привел экспериментальные и теоретические соображения в пользу корпускулярной интерпретации света.

ПОСТОЯННАЯ ПЛАНКА И ИНФОРМАЦИЯ

Покажем теперь, что все это длинное отступление имеет самое прямое отношение к информации. Для этого нужно вернуться назад, к материалу второй главы, и вспомнить, что в основу всех рассуждений, приведших нас сейчас к открытию М. Планка, было положено понятие статистического веса. Статистический вес, напомним, — это количество способов, которым может быть реализовано данное состояние данной физической системы. Применительно к бильярду мы понимали под состоянием лишь чисто геометрическое положение шаров в пределах правой или левой половины бильярдного стола. Затем мы оговорились, что, для того чтобы понятие состояния приобрело физический смысл, необходимо учитывать не только положение шаров (молекул), но и значение их энергии.И вот тут-то возникает трудность, о которой мы сознательно умолчали в предыдущих главах.Рассмотрим, например, состояние, характеризуемое тем, что в пределах левой половины бильярда расположены три шара и их суммарная энергия равна, скажем, 10 джоулям. Сколькими различными способами может быть реализовано такое состояние? Во второй главе было показано, что состояние «3 шара слева» может быть реализовано 560 различными способами. Но к этому следует добавить еще число способов, которыми можно разделить 10 джоулей между тремя шарами. Один такой способ, например, может быть: 3, 3,5 и 3,5. Другой способ: 3, 3,45 и 3,55. Наконец, еще способ: 3, 3,455 и 3,545 и т. д. Рассматривать энергию как непрерывно изменяющуюся величину — это все равно что считать возможными любые ее значения. Применительно к только что рассмотренному примеру это значит, что при подсчете числа способов необходимо учитывать числа с любым количеством десятичных цифр после запятой. Ясно, что полное количество способов оказывается при этом бесконечно большим. Энтропия, представляющая собой логарифм числа способов, также оказывается в этом случае бесконечно большой.Но мы знаем, что энтропия физической системы конечных размеров есть конечная величина, которая может быть выражена через другие физические величины, например, через энергию и температуру. Единственная возможность преодолеть подобное противоречие и сделать статистический вес конечной величиной — это предположить, что энергия изменяется не непрерывно, а скачками. То есть сделать то же самое, что сделал в свое время М. Планк.Пока еще мы считаем, что информация, содержащаяся в физической системе, представляет собой разность между максимально возможным и истинно существующим значениями энтропии. Следовательно, для информации должно быть справедливо все только что высказанное. Информация может переноситься лишь величинами, изменяющимися не непрерывно, а скачками.

КВАНТЫ И СИМВОЛЫ

К аналогичному выводу можно прийти, если рассуждать с позиций шенноновской теории информации. В шенноновской теории вводятся в рассмотрение так называемые сигналы, то есть физические величины, изменяющиеся определенным образом. Каждому значению такой физической величины ставится в соответствие некоторый символ. Символы представляют собой структурные единицы, из которых строятся сообщения. Мера Шеннона определяет среднее количество информации, приходящееся на один символ. Это среднее количество информации, в свою очередь, численно равно, по Шеннону, средней величине логарифма вероятности появления каждого данного символа, взятой с обратным знаком.Таким образом, отличие информации Шеннона от энтропии Больцмана (теперь мы это знаем) чисто формальное. Просто понятие «состояние физической системы» заменяется понятием «символ». Здесь, однако, скрываются соображения, имеющие самое существенное значение для круга вопросов, рассматриваемых в данной книге.До сих пор мы имели дело только с информацией, содержащейся в физической системе и способной, в частности, заставить физическую систему совершить мехакическую работу. Но независимо от того, какова природа информации и кто является приемником, потребителем этой информации, ясно, что получить информацию можно лишь взаимодействуя с некоторой физической системой. Это утверждение справедливо и для случая, когда приемником информации является человек, и для случая, когда потребителем информации является другая физическая система.В процессе передачи — приема информации в каждый данный момент времени мы фиксируем одно из состояний физической системы носителя информации и присваиваем этому состоянию значение символа. Например, красный свет светофора — это состояние физической системы «светофор», которому присваивается смысл символа «запрет». Буква, отпечатанная типографским способом на листе бумаги, — это тоже определенное состояние физической системы включающей в себя молекулы веществ, из которых состоит бумага, и молекулы веществ, из которых состоит краска. Каждая буква есть не что иное, как определенное геометрическое расположение молекул краски, что в принципе ничем не отличается от расположения бильярдных шаров на столе.Итак, единственная возможность получать и передавать информацию состоит в том, чтобы использовать физическую систему— посредник (такую систему называют также носителем), и каждому физическому состоянию носителя ставить в соответствие символ с определенным смыслом. Например, состоянию системы: бумага — краска, характеризуемому тем, что молекулы краски расположены вдоль эллипса, ставится в соответствие буква (символ) О. Но предположение о непрерывном изменении энергии или других физических величин, значения которых могут быть восприняты получателем, сразу приводит к возможности реализовать бесконечное число различных состояний такой системы, то есть бесконечное число символов. А отсюда следует, что физическая система может содержать и передавать бесконечное число информации за конечный интервал времени.Но любая теория, которая оперирует лишь с бесконечными величинами, совершенно бессмысленна. Поэтому, оставаясь в рамках теории Шеннона, мы вынуждены точно так же, как это сделал в свое время М. Планк, предположить, что любая величина, отдельные значения которой характеризуют состояние физической системы, может изменяться лишь скачками и, следовательно, в пределах конечного интервала принимать лишь конечное число возможных значений.Здесь следует сделать такое замечание. Мы пока не высказались по поводу универсальности и даже справедливости теории Шеннона. На данном этапе можно лишь предположить, что теория Шеннона, по всей вероятности, справедлива и удобна для описания информационных процессов в термодинамических, то есть массовых вырожденных системах. Оба свойства, массовость (большое количество составляющих элементов) и вырожденность (независимость от индивидуальности каждого элемента), имеют самое существенное значение.Однако уже на данном этапе рассмотрения мы неизбежно приходим к выводу, что главную роль в информационных процессах играет свойство различимости. Двум состояниям мы можем ставить в соответствие различные символы только в том случае, если они различимы, то есть имеется хотя бы принципиальная возможность выполнять последовательность действий, приводящую к установлению различия между этими состояниями. Соотношение неточностей Гейзенберга устанавливает, что отличить одно состояние от другого можно лишь в том случае, если характеризующие эти состояния значения отличаются друг от друга больше, чем на величину постоянной Планка, Следовательно, постоянная Планка играет в теории информации не меньшую роль, чем в других отраслях физики.

ВНУТРИ АТОМА

На странице 113 мы процитировали слова самого М. Планка, из которых следовало, что квантовая природа мира проявляется лишь тогда, когда изучаемые величины соизмеримы с постоянной Планка (сама постоянная Планка очень мала). С учетом этого обстоятельства естественно перейти к рассмотрению таких микрообъектов, как атомы и электроны. Начнем с электронов. Здесь мы сразу сталкиваемся с двумя принципиально различными случаями. Первый— это случай свободных электронов. Электрон можно считать свободным, если расстояния от него до других электронов, атомных ядер или каких-либо иных заряженных частиц настолько велики, что можно пренебречь электромагнитным взаимодействием. Интересно, что электрон может быть в свободном состоянии не только в вакууме, но и, например, в кристаллическом твердом теле. Здесь, правда, дело обстоит несколько иначе, подробнее мы рассмотрим этот вопрос ниже, а сейчас ограничимся лишь замечанием, что при определенных условиях поведение части электронов в кристаллическом твердом теле можно описывать так, как если бы это были свободные электроны.Множество свободных электронов составляет так называемый электронный газ. Электроны в электронном газе ведут себя почти точно так же, как молекулы в обычном газе, и для описания состояний электронного газа справедливы те же статистические законы. Применительно к электронному газу мы не можем сказать практически ничего нового.Другой случай — это когда электрон находится в атоме, точнее говоря, взаимодействует с атомным ядром и другими электронами атома или же находится в кристаллическом твердом теле и (это другой случай, противоположный рассмотренному выше) взаимодействует практически со всеми ядрами и большинством других электронов.Рассмотрим пока поведение электрона в атоме. Еще Н. Бором было показано, что в атоме электрон может принимать строго определенные состояния, каждое из которых характеризуется строго определенным значением энергии. Н. Бор первый установил, что для каждого данного состояния момент количества движения электрона отличается от возможных моментов количества движения в других состояниях на величину, кратную постоянной Планка.

КАК СЕБЯ ЧУВСТВУЕТ АТОМ!

Электрон в атоме может переходить из данного состояния в состояния, характеризуемые меньшими значениями энергии, при этом, как правило, испускается квант электромагнитного излучения. Или, наоборот, в состояния, характеризуемые более высокими значениями энергии, тогда переход осуществляется, как правило, после того, как атом подвергся какому-либо внешнему воздействию, например, он поглотил квант электромагнитного излучения или провзаимодействовал с другой какой-либо частицей.Если энергия одного из электронов в атоме больше некоторого нормального значения, принимаемого за энергию основного состояния, то такой атом называется возбужденным или, иначе, находящимся в возбужденном состоянии. Обычно возбужденное состояние атома не может существовать долго. Либо самостоятельно, либо опять-таки под воздействием какой-либо внешней причины такой атом переходит из возбужденного состояния в основное, излучая при этом один или несколько квантов.Мы столь подробно рассмотрели здесь, казалось бы, общеизвестные вещи для того, чтобы задать основной вопрос: можно ли говорить об энтропии атома?Начнем с простейшего атома — атома водорода. Он состоит из ядра, содержащего один-единственный протон, и одного-единственного электрона, который в каждый момент времени находится в одном из разрешенных для данного атома состояний. Часто говорят также, чтоэлектрон в атоме находится на данной орбите или в пределах данной оболочки. Современная физика убедительно показала, однако, что никаких электронных орбит в атоме нет и не может быть. Поэтому слова «орбита» или «оболочка», используются лишь по традиции и представляют собой синонимы выражений «состояние, характеризуемое данным значением энергии».Вернемся к атому водорода. Можно ли говорить, что электрон в атоме или сам атом характеризуется некоторым значением энтропии? На этот вопрос может быть дан лишь один определенный ответ. Энтропия есть логарифм статистического веса. А каждое состояние электрона в атоме, или, что то же самое, каждое состояние атома может быть реализовано единственным способом. Поэтому если даже говорить о статистическом весе данного состояния, то он всегда будет равен единице, а энтропия, соответственно, всегда будет равна нулю. То же самое справедливо и для более сложных атомов.Из того обстоятельства, что энтропия отдельного атома всегда равна нулю, можно сделать вывод, что атом — это в высокой степени информированная система. И это будет соответствовать реальности. Ведь каждый электрон в атоме в точности знает, какие состояния для него разрешены, а какие запрещены. Другой вопрос: откуда электрон знает о разрешенных и запрещённых состояниях? На этот вопрос мы также постараемся ответить, но несколько позже.

ЗВЕЗДА ЭКРАНА

Для того чтобы выяснить, какую роль играет информация в процессах, происходящих с отдельными электронами и электронными пучками, рассмотрим опыт, описание которого присутствует во всех учебниках физики. Сначала мы просто опишем сам опыт, а затем посмотрим, какие выводы можно сделать из его результатов.На верхнем рисунке показан прибор, состоящий из источника, создающего пучок электронов, летящих в одном направлении (так называемая электронная пушка), маски со щелью и экрана, на котором каждый попадающий электрон вызывает появление светящейся точки (сцинтилляция). На экране (см. нижний рисунок) вместо четкого изображения щели наблюдается светлая полоса с размытыми краями. Эта размытость, объясняемая дифракцией на краях щели, в свое время вызвала одну из самых бурных сенсаций в физике. Обнаружение дифракции электронов свидетельствовало в пользу их двойственной, корпускулярно-волновой природы, двойственности, которая до сих пор не перестает будоражить умы исследователей.

Более сложная модификация того же прибора показана на следующем рисунке. Здесь все то же самое, но щелей в маске не одна, а две, и расположены они параллельно друг другу. Электроны проявляют здесь свою волновую природу, и электронные волны, прошедшие сквозь щели, складываются между собой по ту сторону маски. В результате на экране образуется явно выраженная интерференционная картина, представляющая собой чередование темных и светлых полос (рисунок 3). Кроме того, на рисунке (страница 4) показаны кривые, выражающие зависимость интенсивности свечения экрана от расстояния вдоль оси х, проведенной в направлении, перпендикулярном направлению черных и белых полос.

ЧЕРЕЗ КАКУЮ ЩЕЛЬ ПРОШЕЛ ЭЛЕКТРОН!

Со дня, когда подобный опыт был поставлен впервые, и до сих пор ученых интересует все тот же вопрос: можно ли узнать, через какую из двух щелей прошел этот самый единственный электрон?Поскольку в формулировке этого вопроса присутствует слово «узнать», мы также не можем остаться равнодушными. Усложним еще более конструкцию приора, снабдив его источником света, расположенным точно посередине между двумя щелями и двумя детекторами, способными регистрировать каждый отдельным фотон. Будем предполагать, что, если какой-либо электрон пролетит через верхнюю щель, летящий ему навстречу очередной фотон, излученный источником света, от разится от него и попадет в верхний детектор, которым и зарегистрирует его. Мы будем знать, что через верхнюю щель пролетел электрон. Наоборот, если электрон пролетит через нижнюю щель, отраженный от него фотон попадет в нижний детектор. Таким образом, по сигналам детекторов мы, казалось бы, можем точно знать, через какую именно щель пролетел электрон.К сожалению, на самом деле все обстоит не так просто. Многочисленные опыты, в частности, с конструированием различных микроскопов, неоспоримо свидетельствуют о следующем. Можно «увидеть» предмет в том и только в том случае, если, он «освещается» излучением, длина волны которого во всяком случае не больше, чем размеры предмета. При этом совершенно не важно, освещается ли предмет видимым светом, ультрафиолетовым излучением или потоком любых микрочастиц, имеющих, как мы совсем недавно имели возможность напомнить читателю, волновую природу. Не важно также и то, что имеется в виду под словом «увидеть»: увидеть глазом или зарегистрировать детектором.

Наконец, уместно напомнить здесь, что Длина волны любого излучения обратно пропорциональна энергии его квантов: чем выше энергия, тем короче длина волны, причем в качестве коэффициента пропорциональности выступает все та же постоянная Планка. Отсюда следует, в частности, что определить, через какую щель пролетел электрон, можно лишь в том случае, если длина волны света меньше расстояния между щелями. А теперь самое главное!Предположим, что в нашем приборе (см. рисунок на странице 124) мы выбрали источник света с достаточно короткой длиной волны, уж во всяком случае, во много раз короче расстояния между щелями в маске.Включаем такой прибор — и увы! — убеждаемся в том, в чем уже неоднократно убеждались ученые как в результате экспериментальных исследований, так и в результате теоретического анализа: никакой интерференции! Вместо этого мы видим на экране одну световую полосу со слегка размытыми краями. Такая в точности полоса получается, если просто просуммировать светящиеся точки от попадания в экран электронов, прошедших через обе щели.Проделанный опыт однозначно свидетельствует: мы можем узнать, через какую щель прошел электрон, но тогда мы не получим интерференционной картины. Иными словами, электрон, о котором мы знаем, ведет себя принципиально иначе, чем электрон, о котором мы ничего не знаем.Будем теперь плавно увеличивать длину волны источника света. В тот момент, когда длина волны окажется сравнимой с расстоянием между щелями в маске, на экране восстановится интерференционная картина, однако теперь мы уже не сможем узнать, через какую щель прошел каждый данный электрон. Можно выбрать и такую длину волны, когда интерференционная картина уже начинает прорисовываться. Длина волны света еще достаточно мала, и мы можем приближенно судить о том, через какую щель прошел электрон, и при этом имеем частичную интерференционную картину. Кривая, показывающая зависимость интенсивности свечения экрана от расстояния вдоль оси к, — это кривая Б на рисунке 4.Повторяем еще раз: таковы результаты опыта, который мы проделали мысленно, а многие физики во всем мире проделывали и продолжают проделывать в настоящее время в натуре. Попробуем теперь их осмыслить. Похоже, что одно обстоятельство не должно вызывать сомнений. Количество информации, получаемое нами от электрона, зависит от длины волны источника света, которым мы освещаем электрон и щели. Здесь нужно указать на один очень важный факт. Результаты только что описанного опыта будут оставаться неизменными и в том случае, если убрать детекторы, сохранив лишь источник света.Этот факт свидетельствует в пользу того, что информация, о которой мы говорим, совершенно объективна. Ее необязательно получать, а достаточно иметь. принципиальную возможность ее получения. Количество этой информации зависит от длины волны источника света: чем короче длина световых волн, которыми мы «освещаем» электрон, тем точнее мы можем определить местоположение электрона, тем, соответственно, больше сведений (информации) мы принципиально можем о нем иметь.В. Гейзенберг сформулировал свой знаменитый принцип неточностей в 1927 году. В одной из статей, посвященных этому вопросу, он писал: «Если мы хотим уяснить, что следует понимать под словами «положение объекта», например электрона, необходимо указать определенные эксперименты, при помощи которых намереваются определить «положение электрона» и даже с какой угодно точностью. Например, мы освещаем электрон и рассматриваем его в микроскоп. При таком способе максимально достижимая точность определения положения в основном задается длиной волны используемого света. Но в принципе можно построить, например, гамма-лучевой микроскоп и с его помощью определить положение с желаемой точностью. Однако в этом измерении существенно побочное обстоятельство -эффект Комптона… В мгновение, когда определяется положение, иначе говоря, в мгновение, когда квант света отклоняется электроном, последний прерывно изменяет свой импульс. Это изменение тем сильнее, чем меньше длина волны используемого света, иначе говоря, чем выше точность определения положения. Поэтому в то мгновение, когда известно положение электрона, импульс может быть определен лишь с точностью до величин, соответствующих такому прерывному изменению; итак, чем точнее определяется положение, тем менее точно известен импульс, и наоборот».

ЧТО ТАКОЕ ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА!

Описанный опыт позволяет поставить вопрос: в каких единицах мы можем теперь измерять информацию?Вернемся еще раз к обсуждению того, что такое физическая величина. Мы говорили, что определить понятие физической величины — это значит задать способ се измерения. Способ должен быть таким, чтобы одна и та же измерительная процедура давала бы одно и то же значение физической величины, независимо от того, в каких условиях эти измерения проводятся.Описанный опыт позволяет поставить вопрос: в каких единицах мы можем теперь измерять информацию?Вернемся еще раз к обсуждению того, что такое физическая величина. Мы говорили, что определить понятие физической величины — это значит задать способ се измерения. Способ должен быть таким, чтобы одна и та же измерительная процедура давала бы одно и то же значение физической величины, независимо от того, в каких условиях эти измерения проводятся.Можно сказать и больше: измерение — это всегда сравнение с эталоном. Причем в подавляющем большинстве случаев эталон имеет другую природу, нежели измеряемая величина. Так, приводя пример с силой тока, мы говорили, что ток силой в один ампер — это такой ток, который, проходя через раствор азотнокислого серебра, в течение одной секунды выделяет 1,118 миллиграмма металлического серебра. В данном случае эталоном для сравнения явилась гиря в 0,001 миллиграмма. Однако по-прежнему должно быть справедливым утверждение, что ток силой в один ампер всегда и при любых условиях при прохождении через раствор азотнокислого серебра в течение одной секунды будет сопровождаться выделением одного и того же количества серебра1.Но ведь ясно и другое. Ток силой в один ампер совсем необязательно пропускать именно через раствор азотнокислого серебра. Можно выбрать раствор другого какого-либо вещества, и при этом все будет тем же самым с единственным исключением, что количество выделившегося на электроде вещества в общем случае будет уже другим. Наконец, можно пропускать ток не через раствор, а, как это делается в большинстве амперметров, через подвижную катушку, находящуюся в магнитном поле. Тогда в качестве эталона будет выступать величина угла поворота катушки.Сказанное приводит нас к выводу, что, определяя физическую величину, мы можем задавать различные способы измерения и получать, вообще говоря, различные численные значения. И для того чтобы данная величина могла претендовать на ранг физической величины, необходимо лишь, чтобы различные значения, получаемые в измерениях различными способами, оказывались связанными между собой соответствующими физическими законами. Это справедливо и для информации. Объективность понятия информации ни в коей степени не будет уменьшена, если мы предложим другой способ измерений и соответственно будем получать в результате этих измерений другие численные значения количества информации.